Геометрия и Марсельеза

Только сделал он это тридцать лет спустя, когда начертательную геометрию уже давно штудировали его ученики.

Известно также, что методы горизонтального и вертикального проецирования — «ихнографию» и «ортографию» — применяли древние греки. А живший задолго до Монжа первый русский настоящий академик, член Парижской академии наук Петр Романов, русский самодержец, ввел в кораблестроение и выполнял своими собственными руками при отменном качестве чертежи кораблей в трех проекциях, то есть в трех плоскостях: «на боку», «пол у широте» и «корпусе». Царь самолично занимался этим, «понеже в Голландии нет на сие мастерство совершенства геометрическим способом…»

Чертежи Петра I изображали не внешний вид предмета, а его теоретическое построение, причем в трех современных проекциях: «бок» — фронтальная проекция, «полуширота» — горизонтальная и «корпус» — профильная. А ведь метод Монжа, каким он вошел в историю и каким мы его знаем, состоит в прямоугольном проецировании на две (только на две, а не три!) взаимно перпендикулярные плоскости — горизонтальную и вертикальную. И если еще древние греки делали то же самое, то не был ли Петр I «святее самого папы римского», то есть не зашел ли он дальше самого Монжа? В чем же заслуга французского геометра, и не преувеличиваем ли мы ее?

Нет, не преувеличиваем. Первый камень в здание начертательной геометрии как науки заложил именно Монж, решив в Мезьере задачу дефилирования местности приемами, свойственными этой науке. Здесь же, в провинциальном Мезьере, он один сложил — камень за камнем — стены, своды и перекрытия этого здания и увенчал его куполом. Это может казаться чудом, но так оно и есть. Сошлемся на высказывание специалиста, советского ученого Бориса Николаевича Делоне.

«Подобно тому, как элементарная геометрия и посейчас излагается почти, как у Евклида, или аналитическая геометрия — близко к тому, как ее изложил Декарт, начертательная геометрия рассматривается и сейчас весьма близко к тому, как ее изложил Монж».

Многое сделали в подготовке строительного материала для будущей науки предшественники Монжа (не будем втуне перечислять заслуги Альберти, Дюрера, Дезарга, рассказ о которых студенты почти не глядя перелистывают во всех учебниках начертательной геометрии), многое потом добавили ученики и последователи Монжа, среди которых немало и русских имен. Здание впоследствии достраивалось и улучшалось, в нем появлялись новые пристройки и флигели, изменялась облицовка фасада, но стены Монжева сооружения остались неприкосновенными и, видимо, сохранятся в веках подобно египетским пирамидам с той лишь разницей, что пирамиды возвеличивали усопших фараонов, а творение Монжа — науку и разум человеческий.

Так в чем же научный подвиг Монжа? Что за необычный цемент он нашел, без которого камни, нарезанные стереотомистами, так и оставались камнями, а не возвысились величественным зданием?

Идея Монжа проста, и прийти она могла до него ко многим людям. Но реализация ее была делом нелегким. Нужно было иметь не только талант Монжа, но и огромное трудолюбие, чтобы не бросить работу на полпути и довести ее до конца.

Выполнять геометрические построения в трехмерном пространстве — дело бесперспективное: нет таких циркулей и линеек, которыми можно было бы вычерчивать в воздухе дуги и прямые линии и находить точки их встречи. Не прибегать же к веревкам, уподобляясь древним геометрам Египта, которых называли «натягивателями веревок»! Нерастяжимая нить еще приемлема на плоскости, ну — в крайнем случае — ограниченном свободном пространстве. Но ведь с веревкой не влезешь в толщу камня или другого материала, куда мысль человека должна проникнуть раньше резца.

Поскольку все тела природы, рассуждал Монж, можно рассматривать как состоящие из точек, прежде всего надо найти способ определения точки в пространстве. Но ведь пространство не имеет границ: все его части совершенно подобны, и ни одна из них не может служить объектом сравнения для того, чтобы указать положение точки. Какие же элементы выбрать, с чем соотносить ее положение?.. Разумеется, с наиболее простыми и удобными.

Из всех простых элементов, которые изучает геометрия, Монж последовательно рассмотрел: точку, не имеющую никаких измерений; прямую линию, имеющую только одно измерение; плоскость, имеющую два измерения. Как ни заманчиво было взять за основу точку или прямую, Монж отказался от них и пришел к парадоксальному на первый взгляд, но верному выводу: хотя плоскость — более сложный геометрический элемент, чем первые два, именно она дает возможность определить наиболее просто положение точки в пространстве!

Итак, плоскость! Проекция точки на плоскость — в этом ключ к решению проблемы. Если из. точки опустить на плоскость перпендикуляр, то этой точке будет соответствовать одна-единственная проекция. Но если пойти обратно — от проекции… Уместно задать вопрос: будет ли ей соответствовать только одна, а именно заданная, точка пространства? К сожалению, нет.

Всем точкам, лежащим на проецирующем луче, а их бесконечное множество, будет соответствовать эта проекция. Значит, одна проекция точки еще не определяет ее положения в пространстве. Чертеж надо чем-то дополнить, чтобы сделать его обратимым. Но чем — не числовой же отметкой, указывающей расстояние от точки до ее проекции! Задачу надо решать геометрически…

Возьмем вторую плоскость, решил Монж, и опустим на нее перпендикуляр из заданной точки. Получится вторая проекция. А двух проекций вполне достаточно, чтобы определить положение точки относительно двух избранных плоскостей.

Итак, если принять прямоугольное (ортогональное) проецирование, то проекцией точки, резюмирует Монж, надо называть основание перпендикуляра, опущенного из точки на плоскость. И если мы имеем в пространстве две заданные плоскости и на каждой из них нам даны проекции точки, положение которой надо зафиксировать, то тем самым точка будет вполне определена!

Эти две плоскости проекций могут, вообще говоря, составлять любой угол. Но если он будет тупым, то перпендикуляры к ним встретятся под очень острым углом, что внесет большую неточность. Поэтому, сделал вывод Монж, две плоскости следует выбирать перпендикулярными между собой. А чтобы можно было изображать обе проекции на одном листе и выполнять на нем все построения, надо развернуть вертикальную плоскость вокруг линии ее пересечения с горизонтальной так, чтобы обе они совместились.

Так сформировался метод ортогонального проецирования, или метод Монжа, принятый впоследствии во всех странах мира.

Предшественники Монжа знали обе проекции, попеременно пользовались ими… Именно попеременно — то одной, то другой. Этим и ограничили они возможности чертежа. Надо было объединить обе проекции в единый взаимосвязанный комплекс (эпюр, как стали называть такой чертеж после Монжа) подобно тому, как выражения, содержащие «икс», и выражения, содержащие «игрек», объединены в уравнении линии в аналитической геометрии. Вот чего недоставало геометрии синтетической!

Не стоять на одной ноге и не переминаться с ноги на ногу, а прочно опереться на обе одновременно — вот что надо было сделать, чтобы поднять груз, казавшийся до Монжа непосильным. Прочно опираясь на две взаимосвязанные проекции, геометр начал укладывать камень за камнем в стены нового здания. Он работал с упоением. Чем выше росли стены и чем выше поднимался вместе со стенами их строитель, тем более широкий горизонт открывался перед ним…

Оказывается, на комплексном чертеже можно делать все: построить точку, линию, геометрическую фигуру заданных размеров, даже несколько фигур, заставить их пересекаться, можно их вращать, находить точки и линии пересечения, определять натуральную величину углов и отрезков. Две проекции вполне определяют любой объект и позволяют, не пользуясь образцами и моделями, спроектировать новое сооружение, избежав тех «великолепных нелепостей», когда балка не дотягивается до стены, а лестница повисает в воздухе.